河南机电高等专科学校毕业设计论文论文题目：基于AT89C51单片机的超声波测距仪的系统设计系 部 专 业 班 级 学生姓名 学 号 指导教师 2012年5月 1 日II河南机电高等专科学校毕业设计/论文摘 要本设计介绍了基于单片机控制的超声测距仪的原理：由AT89C51控制定时器产生超声波脉冲并计时，计算超声波自发射至接收的往返时间，从而得到实测距离。并且在数据处理中采用了温度补偿的调整，用四位LED数码管切换显示距离和温度。整个硬件电路由超声波发射电路、超声波接收电路、电源电路、显示电路等模块组成。各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。相关部分附有硬件电路图、程序流程图，给出了系统构成、电路原理及程序设计。此系统具有易控制、工作可靠、测距准确度高、可读性强和流程清晰等优点。实现后的作品可用于需要测量距离参数的各种应用场合。关键词：AT89C51，超声波，温度补偿，测距AbstractThe design introduces the principle of the ultrasonic distance measurement instrument based on SCMC-controlled: AT89C51 controls timers to produce the ultrasonic wave pulse and time,count the time of ultrasonic wave spontaneous emission to receive round-trip,thus obtains the measured distance.And the temperature compensation adjustment is used in the data processing, with four LED nixie tubes display distance or temperature by switching.The entire hardware circuit is composed by ultrasonic transmitter circuit, ultrasonic receiver circuit, the power circuit, display circuit, and other modules. The probe signals are integrated analysised by SCMC to achieve the various functions of ultrasonic distance measurement instrument. Based on this has designed systems overall concept, final adoption of hardware and software to achieve the various functional modules. The relevant parts have the hardware schematics and process flow chart.It has given the system constitution, the circuitry and the programming. The instrument system has features: ease of control, stability of operation, highness of precision and distinctness of programme process ,etc. After the realization of the works can be used for needs of the various parameters measured distance applications.Keywords:AT89C51, Ultrasonic wave, Temperature compensation, Measure distans 目 录摘 要IAbstractII目 录1第1章 引言11.1 课题研究的背景11.2 课题研究的意义11.3 论文结构2第2章 超声波测距原理32.1 超声波简介32.2 超声波测距原理3第3章 方案论证53.1 设计思路53.2 系统结构设计6第4章 主要元件介绍74.1 单片机AT89C5174.2 超声波传感器T40、R4094.3 温度传感器DS18B2010第5章 硬件电路设计115.1 超声波发射电路115.2 超声波接收电路115.3 显示电路125.4 电源电路135.5 复位电路13第6章 软件设计146.1 主程序流程146.2 子程序设计156.2.1 超声波发送子程序及超声波接收中断子程序156.2.2 测温子程序176.2.3 距离计算子程序176.2.4 显示子程序和键盘扫描子程序18第7章 软件调试及系统仿真197.1 软件编译调试环境Keil197.2 系统仿真环境Proteus197.3 系统仿真197.4 误差及特性分析22结 论23致 谢24参考文献25附录1 整体电路图26附录2 程序27第1章 引言1.1 课题研究的背景人们生活水平的提高，城市发展建设加快，城市给排水系统也有较大发展，其状况不断改善。但是，由于历史原因合成时间住的许多不可预见因素，城市给排水系统，特别是排水系统往往落后于城市建设。因此，经常出现开挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。城市污水给人们带来了困扰，因此箱涵的排污疏通对大城市给排水系统污水处理，人们生活舒适显得非常重要。而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统，保证机器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分。控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的传感技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波传感器作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题。毋庸置疑，未来的超声波传感器将与自动化智能化接轨，与其他的传感器集成和融合，形成多传感器。随着传感器的技术进步，传感器将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。1.2 课题研究的意义在现实生活中，一些传统的距离测量方式在某些特殊场合存在不可克服的缺陷，例如，液面测量就是一个距离测量，传统的电极法是采用差位分布电极，通过给电或脉冲检测液面，电极长期浸泡在水中或其它液体中，极易被腐蚀、电解，从而失去灵敏性。而利用超声波测量距离可以很好地解决这一问题。目前市面上常见的超声波测距系统不仅价格昂贵，体积过大而且精度也不高等种种因素，使得在一些中小规模的应用领域中难以得到广泛的应用。为解决这一系列难题，本文设计了一款基于AT89C51单片机的低成本、高精度、微型化的超声波测距仪。1.3 论文结构第 1 章首先对课题的背景和意义进行阐述，并概述了论文结构。第2 章先就超声波测距的原理进行介绍，并提出了提高测距的精度的方案温度补偿，且描述了其具体补偿方式。第3章针对本文采用的设计方案进行了可行性的论证，并得出了系统结构框图。第4章介绍了设计中需要用到的主要器件，且因其在本设计的作用不同而详尽程序亦不同。第 5 章从整体硬件设计出发，对各部分电路进行了详细说明。第6章先给出了软件设计的整体流程图，并且对关键部分软件设计做了进一步的解释。第 7 章介绍了软件的调试及系统仿真程序编译及系统仿真也是本文的一个要点，所以特别分出一章来详细介绍了程序编译的环境和编译的步骤以及仿真的环境和部分仿真的效果图。第2章 超声波测距原理2.1 超声波简介我们知道，当物体振动时会发出声音。科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。我们人类耳朵能听到的声波频率为2020000赫兹。当声波的振动频率大于20000赫兹或小于20赫兹时，我们便听不见了。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。通常用于医学诊断的超声波频率为15兆赫。超声波具有方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远等特点。可用于测距，测速，清洗，焊接，碎石等。在医学，军事，工业，农业上有明显的作用。理论研究表明，在振幅相同的条件下，一个物体振动的能量与振动频率成正比，超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大。在我国北方干燥的冬季，如果把超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气湿度。这就是超声波加湿器的原理。对于咽喉炎、气管炎等疾病，药品很难血流到打患病的部位。利用加湿器的原理，把药液雾化，让病人吸入，能够疗效。利用超声波巨大的能量还可以使人体内的结石做剧烈的受迫振动而破碎。2.2 超声波测距原理超声波是利用反射的原理测量距离的，被测距离一端为超声波传感器，另一端必须有能反射超声波的物体。测量距离时，将超声波传感器对准反射物发射超声波，并开始计时，超声波在空气中传播到达障碍物后被反射回来，传感器接收到反射脉冲后立即停止计时，然后根据超声波的传播速度和计时时间就能计算出两端的距离。测量距离D为 （2.1）式中 c超声波的传播速度； 超声波发射到接收所需时间的一半，也就是单程传播时间。由上式可风，距离的测量精度主要取决于计时精度和传播速度两方面。计时精度由单片机定时器决定，定时时间为机器周期与计数次数的乘积，可选用12MHz的晶振，使机器周期为精确的1s,不会产生累积误差，使定时间达到1s。超声波的传播速度c并不是固定不变的，传播速度受空气密度、温度和气体分子成分的影响，关系式为 （2.2）式中 气体定压热容与定容热容的比值，空气为1.40。 R气体普适常数，为8.314kg/mol。T气体势力学温度，与摄氏温度的关系是T=273K+t。M气体相对分子质量，空气为28.810-3kg/mol。c00时的声波速度，为331.4m/s。由上式可见，超声波在空气中传播时，受温度影响最大，由表